Przez długi czas struktura atomu była przedmiotem dyskusji wśród fizyków, dopóki nie pojawił się model stworzony przez duńskiego naukowca Nielsa Bohra. Nie był pierwszym, który próbował opisać ruch cząstek subatomowych, ale to jego odkrycia umożliwiły stworzenie spójnej teorii z możliwością przewidywania położenia cząstki elementarnej w takim czy innym czasie.
Ścieżka życia
Niels Bohr urodził się 7 października 1885 w Kopenhadze i zmarł tam 18 listopada 1962. Uważany jest za jednego z największych fizyków i nic dziwnego: to właśnie jemu udało się zbudować spójny model atomów wodoropodobnych. Według legendy widział we śnie, jak coś podobnego do planet krąży wokół pewnego świetlistego, rozrzedzonego centrum. System ten następnie drastycznie skurczył się do mikroskopijnych rozmiarów.
Od tego czasu Bohr intensywnie szukał sposobu na przełożenie snu na formuły i tabele. Uważnie studiując współczesną literaturę na temat fizyki, eksperymentując w laboratorium i myśląc, był w stanie osiągnąć swójcele. Nawet wrodzona nieśmiałość nie przeszkodziła mu w opublikowaniu wyników: wstydził się przemawiać przed dużą publicznością, zaczął się dezorientować, a publiczność nie zrozumiała niczego z wyjaśnień naukowca.
Prekursory
Przed Bohrem naukowcy próbowali stworzyć model atomu w oparciu o postulaty fizyki klasycznej. Najbardziej udana próba należała do Ernesta Rutherforda. W wyniku licznych eksperymentów doszedł do wniosku o istnieniu masywnego jądra atomowego, wokół którego poruszają się po orbitach elektrony. Ponieważ graficznie taki model był podobny do budowy Układu Słonecznego, za nim wzmocniono nazwę planetarnego.
Miało to jednak poważną wadę: atom odpowiadający równaniom Rutherforda okazał się niestabilny. Prędzej czy później elektrony, poruszając się z przyspieszeniem po orbitach wokół jądra, musiały spaść na jądro, a ich energia zostałaby wydatkowana na promieniowanie elektromagnetyczne. Dla Bohra model Rutherforda stał się punktem wyjścia do budowania własnej teorii.
Pierwszy postulat Bohra
Główną innowacją Bohra było odrzucenie stosowania klasycznej fizyki newtonowskiej w konstrukcji teorii atomu. Po przestudiowaniu danych uzyskanych w laboratorium doszedł do wniosku, że tak ważne prawo elektrodynamiki, jak ruch jednostajnie przyspieszony bez promieniowania falowego, nie działa w świecie cząstek elementarnych.
Wynikiem jego refleksji było prawo, które brzmi tak: układ atomowy jest stabilny tylko wtedy, gdy znajduje się w jednym z możliwych stacjonarnychstany (kwantowe), z których każdy odpowiada określonej energii. Znaczenie tego prawa, inaczej zwanego postulatem stanów kwantowych, polega na rozpoznaniu braku promieniowania elektromagnetycznego, gdy atom znajduje się w takim stanie. Konsekwencją pierwszego postulatu jest również uznanie obecności poziomów energetycznych w atomie.
Reguła częstotliwości
Było jednak oczywiste, że atom nie może być zawsze w tym samym stanie kwantowym, ponieważ stabilność zaprzecza jakimkolwiek oddziaływaniom, co oznacza, że nie byłoby ani Wszechświata, ani ruchu w nim. Pozorna sprzeczność została rozwiązana przez drugi postulat modelu struktury atomowej Bohra, znany jako reguła częstotliwości. Atom jest w stanie przejść z jednego stanu kwantowego do drugiego z odpowiednią zmianą energii, emitując lub pochłaniając kwant, którego energia jest równa różnicy między energiami stanów stacjonarnych.
Drugi postulat jest również sprzeczny z klasyczną elektrodynamiką. Zgodnie z teorią Maxwella, charakter ruchu elektronu nie może wpływać na częstotliwość jego promieniowania.
Widmo atomowe
Model kwantowy Bohra był możliwy dzięki starannemu zbadaniu widma atomu. Przez długi czas naukowcy byli zakłopotani, że zamiast oczekiwanego ciągłego obszaru koloru uzyskanego poprzez badanie widm ciał niebieskich, spektrogram atomu był nieciągły. Linie jasnego koloru nie spływały jedna na drugą, ale były oddzielone imponującymi ciemnymi obszarami.
Teoria przejścia elektronu z jednego stanu kwantowego doinny wyjaśnił tę dziwność. Kiedy elektron przemieszczał się z jednego poziomu energii na drugi, gdzie wymagało od niego mniej energii, emitował kwant, co odbijało się na spektrogramie. Teoria Bohra natychmiast wykazała zdolność przewidywania dalszych zmian w widmach prostych atomów, takich jak wodór.
Wady
Teoria Bohra nie zerwała całkowicie z fizyką klasyczną. Nadal zachowała ideę ruchu orbitalnego elektronów w polu elektromagnetycznym jądra. Idea kwantyzacji podczas przejścia z jednego stanu stacjonarnego do drugiego z powodzeniem uzupełniła model planetarny, ale nadal nie rozwiązała wszystkich sprzeczności.
Chociaż w świetle modelu Bohra elektron nie mógł wejść w ruch spiralny i wpaść do jądra, stale promieniując energią, nie było jasne, dlaczego nie mógł sukcesywnie wznosić się na wyższe poziomy energetyczne. W takim przypadku wszystkie elektrony prędzej czy później znalazłyby się w najniższym stanie energetycznym, co doprowadziłoby do zniszczenia atomu. Kolejnym problemem były anomalie w widmach atomowych, których teoria nie wyjaśniła. W 1896 roku Peter Zeeman przeprowadził ciekawy eksperyment. Umieścił gaz atomowy w polu magnetycznym i wykonał spektrogram. Okazało się, że niektóre linie widmowe podzieliły się na kilka. Taki efekt nie został wyjaśniony w teorii Bohra.
Budowanie modelu atomu wodoru według Bohra
Pomimo wszystkich niedociągnięć swojej teorii, Niels Bohr był w stanie zbudować realistyczny model atomu wodoru. Posługując się przy tym regułą częstotliwości i prawami klasycznymimechanika. Obliczenia Bohra dotyczące określenia możliwych promieni orbit elektronowych i obliczenia energii stanów kwantowych okazały się dość dokładne i zostały potwierdzone eksperymentalnie. Częstotliwości emisji i pochłaniania fal elektromagnetycznych odpowiadały lokalizacji ciemnych przerw na spektrogramach.
Tak więc na przykładzie atomu wodoru udowodniono, że każdy atom jest układem kwantowym o dyskretnych poziomach energii. Ponadto naukowcowi udało się znaleźć sposób na połączenie fizyki klasycznej i swoich postulatów z wykorzystaniem zasady korespondencji. Stwierdza, że mechanika kwantowa obejmuje prawa fizyki newtonowskiej. W pewnych warunkach (na przykład, jeśli liczba kwantowa była wystarczająco duża), mechanika kwantowa i klasyczna zbiegają się. Świadczy o tym fakt, że wraz ze wzrostem liczby kwantowej długość ciemnych przerw w widmie zmniejszała się aż do całkowitego zaniku, jak oczekiwano w świetle koncepcji newtonowskich.
Znaczenie
Wprowadzenie zasady korespondencji stało się ważnym krokiem pośrednim w kierunku uznania istnienia specjalnej mechaniki kwantowej. Model atomu Bohra stał się dla wielu punktem wyjścia do konstruowania dokładniejszych teorii ruchu cząstek subatomowych. Niels Bohr nie był w stanie znaleźć dokładnej fizycznej interpretacji zasady kwantyzacji, ale nie mógł tego zrobić, ponieważ właściwości falowe cząstek elementarnych zostały odkryte dopiero w czasie. Louis de Broglie, uzupełniając teorię Bohra o nowe odkrycia, dowiódł, że każda orbita wedługktórym porusza się elektron, jest falą rozchodzącą się z jądra. Z tego punktu widzenia stan stacjonarny atomu zaczęto uważać za taki, że powstaje on w przypadku, gdy fala, wykonawszy pełny obrót wokół jądra, powtarza się.
